Αν δίνατε στους μαθητές όλου του κόσμου τη δύναμη να μελετούν και να χειρίζονται γονίδια σε δοκιμαστικό σωλήνα, τι θα έκαναν με αυτό;

Το MiniPCR bio ξεκίνησε για πρώτη φορά την πώληση των φορητών, φθηνών μηχανών αλυσιδωτής αντίδρασης πολυμεράσης (PCR) το 2013. Τα μηχανήματα επιτρέπουν στους χρήστες να πολλαπλασιάζουν συγκεκριμένα σκέλη DNA σε λίγα λεπτά, μετά από πειράματα μέσω μιας εφαρμογής τηλεφώνου.

Έκτοτε, οι ιδρυτές έχουν εκπλαγεί από την ποσότητα της μάθησης και της έρευνας που προέρχεται από τις συσκευές.

Οι ερευνητές έχουν μεταφέρει τις μηχανές στο τροπικό δάσος του Αμαζονίου, τους βαθιούς ωκεανούς και σε απομακρυσμένα νησιά για να κάνουν πράγματα όπως η ταξινόμηση του DNA του ιού Έμπολα, η αλληλουχία γονιδίων σε ζώα υπό εξαφάνιση και η παρακολούθηση ασθενειών. Εκατοντάδες χιλιάδες μαθητές έχουν χρησιμοποιήσει τις μηχανές για πρακτικά πειράματα στην τάξη. Τα μηχανήματα έχουν πάει ακόμη και στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό ως μέρος της πρωτοβουλίας του miniPCR bio's Genes in Space.

Τα πειράματα στο διάστημα έχουν σχεδιαστεί από μαθητές γυμνασίου και λυκείου ως ένα από τα έργα του miniPCR bio στην εκπαίδευση, με κύριο στόχο. Μέχρι σήμερα, το miniPCR bio έχει πουλήσει περισσότερα από 20,000 μηχανήματά του σε σχολεία σε 80 χώρες σε όλο τον κόσμο.

«Το βρίσκω ακόμα συγκλονιστικό», λέει ο συνιδρυτής του miniPCR bio Ezequiel Alvarez Saavedra PhD '08 για τον αντίκτυπο της εταιρείας. «Λαμβάνουμε μηνύματα ηλεκτρονικού ταχυδρομείου από καθηγητές κάθε εβδομάδα που μας ευχαριστούν και μας λένε πόσο βελτιώθηκε η μάθηση στην τάξη λόγω της μηχανής μας. Ποτέ δεν θα πίστευα ότι θα συνέβαινε αυτό ».

Δημιουργία PCR mainstream

Ο Alvarez Saavedra διεξήγαγε χιλιάδες πειράματα με μηχανήματα PCR, τα οποία βοηθούν τους ερευνητές να αναπαράγουν συγκεκριμένα κομμάτια DNA και RNA, ως μέρος της διδακτορικής του εργασίας στο MIT μελετώντας το Γ. Elegans σκουλήκι. Αφού ολοκλήρωσε το διδακτορικό του το 2008, δεν ήταν σίγουρος πώς να συνεχίσει την ερευνητική του καριέρα, αλλά είχε εργαστεί στο MIT's Hobby Shop στον ελεύθερο χρόνο του και ήξερε ότι του άρεσαν να κατασκευάζει πράγματα, οπότε άρχισε να συνεργάζεται με μια μικρή εταιρεία μηχανικών για να σχεδιάσει μια πιο απλή μηχανή.

"Δεν σκεφτόμουν καθόλου να ξεκινήσω μια εταιρεία", λέει ο Alvarez Saavedra. "Απλώς μου άρεσε η μηχανική και ήλπιζα να μάθω περισσότερα γι 'αυτό."

Τα μηχανήματα PCR λειτουργούν μέσω μιας σειράς αλλαγών θερμοκρασίας. Πρώτον, το DNA θερμαίνεται μέσα στους σωλήνες δειγμάτων του μηχανήματος. Η θερμότητα διασπά τα δύο σκέλη του DNA. Στη συνέχεια, κατά τη διάρκεια μιας φάσης ψύξης, μόρια που καθορίζουν το σημείο έναρξης και λήξης του DNA που οι επιστήμονες θέλουν να αντιγράψουν το μάνδαλο στους στόχους τους. Καθώς το μηχάνημα PCR θερμαίνει ξανά το δείγμα, ένα ένζυμο γεμίζει το τμήμα στόχου του DNA, ταιριάζοντας τα νουκλεοτίδια Α με Ts και τα νουκλεοτίδια C με Gs. Ο κύκλος θερμότητας-ψύξης-θερμότητας επαναλαμβάνεται ξανά και ξανά μέχρι να δημιουργηθούν εκατομμύρια αντίγραφα του τμήματος στόχου.

"Η PCR είναι πραγματικά ο άξονας εργασίας της μοριακής βιολογίας", λέει ο Alvarez Saavedra. "Η PCR σάς επιτρέπει να μεγεθύνετε την περιοχή ενδιαφέροντός σας - το αρχικό υλικό θα μπορούσε να είναι ένα ολόκληρο γονιδίωμα ή ένα μικρό κομμάτι DNA - και στη συνέχεια να κάνετε κάτι με αυτό. Μπορείτε, για παράδειγμα, να το ακολουθήσετε ή να αφαιρέσετε ένα κομμάτι του ».

Τα παραδοσιακά μηχανήματα PCR κοστίζουν χιλιάδες δολάρια και συνήθως χρησιμοποιούν θερμοηλεκτρική ψύξη για να αλλάξουν θερμοκρασίες. Τα μηχανήματα του MiniPCR, τα πιο δημοφιλή από τα οποία κοστίζουν 650 $, χρησιμοποιούν ανεμιστήρα και θερμάστρα λεπτής μεμβράνης, απλοποιώντας το σχεδιασμό τους και καθιστώντας τη λειτουργία τους πολύ λιγότερο ενεργειακή.

Αυτές οι αλλαγές καθιστούν τα μηχανήματα φθηνά. Είναι επίσης πολύ πιο εύκολο στη χρήση από τα αντίστοιχα εργαστηριακά τους. Μια απλή εφαρμογή επιτρέπει στους χρήστες να επιλέξουν το είδος του πειράματος που θέλουν να εκτελέσουν και ένα γράφημα θερμοκρασίας με κινούμενες απεικονίσεις επιτρέπει στους μαθητές και τους ερευνητές να ακολουθήσουν σε κάθε στάδιο.

Το 2013, ο Alvarez Saavedra συνεργάστηκε με τον Sebastian Kraves, έναν Αργεντινό που πήρε το διδακτορικό του στην Ιατρική Σχολή του Χάρβαρντ, για να εξετάσει την καλύτερη περίπτωση χρήσης για τη νέα εφεύρεση. Οι συνιδρυτές αποφάσισαν να προσπαθήσουν να επεκτείνουν την πρόσβαση σε μηχανήματα PCR για μαθητές γυμνασίου και λυκείου σε όλο τον κόσμο.

Για να δείξουν στους εκπαιδευτές τις μηχανές για πρώτη φορά, οι ιδρυτές παρακολούθησαν μια συνεδρία κατάρτισης επαγγελματικής ανάπτυξης για εκπαιδευτικούς στο MIT.

«Το δείξαμε για 10 λεπτά και ένας δάσκαλος στο πίσω μέρος του δωματίου είπε αμέσως:« Θέλω 10 από αυτά », θυμάται ο Alvarez Saavedra. «Σκεφτήκαμε εντάξει, υπάρχει κάτι εδώ».

Οι ιδρυτές κατέληξαν να φτιάχνουν οι ίδιοι τα πρώτα 20 μηχανήματα, αποθηκεύοντας όλο και περισσότερα από αυτά στο σαλόνι και το υπόγειο του Ezequiel έως ότου η σύζυγός του πρότεινε να βρουν ένα γραφείο.

Ευτυχώς, το miniPCR bio κέρδισε γρήγορα την προσοχή στον εκπαιδευτικό χώρο. Πολλά σχολεία αγοράζουν παρτίδες μηχανών miniPCR για να συνεργαστούν άμεσα ομάδες μαθητών.

«Τα σχολεία των ΗΠΑ διδάσκουν PCR εδώ και χρόνια, αλλά σχεδόν κανείς εκείνη τη στιγμή δεν είχε μηχανήματα PCR», λέει ο Alvarez Saavedra. «Αν ένα σχολείο είχε ένα μηχάνημα PCR, θα καθόταν στο πίσω μέρος της τάξης. Όταν διδάσκετε θέλετε μικρές ομάδες μαθητών να κάνουν πειράματα που επιτρέπουν στον καθένα να είναι πιο πρακτικός ».

Καθώς ο αντίκτυπος του miniPCR bio στην εκπαίδευση κλιμακώθηκε, απέκτησε επίσης ένα πιστό κοινό μεταξύ των ερευνητών που εκτιμούν τη χαμηλή τιμή της συσκευής, την αποδοτικότητα και την καταλληλότητά της να ταξιδεύουν σε απομακρυσμένες περιοχές.

Οι ερευνητές έχουν εξαντλήσει τις μηχανές από μπαταρίες φορτισμένες με ηλιακούς συλλέκτες και έχουν κάνει πειράματα χωρίς να εγκαταλείψουν το πεδίο. Όταν ένας ερευνητής προσπαθούσε να εντοπίσει τον ιό Έμπολα σε ένα αυτοσχέδιο εργαστήριο στη Σιέρα Λεόνε, οι μηχανές miniPCR που είχε φέρει για να εκπαιδεύσουν τεχνικούς εργαστηρίων αποδείχθηκαν πιο αποτελεσματικές από τις παραδοσιακές - πολύ ακριβότερες - μηχανές PCR που είχε φέρει για τη δουλειά του.

"Είναι πολύ ωραίο να σας θυμίζουν αυτό που κάνετε έχει αντίκτυπο", λέει ο Alvarez Saavedra.

PCR και μετά

Νωρίς, οι ιδρυτές είχαν την ιδέα για τους μαθητές να σχεδιάσουν πειράματα για τους αστροναύτες να τρέχουν στο διάστημα. Η ιδέα εξελίχθηκε σε έναν εθνικό διαγωνισμό που πραγματοποιήθηκε σε συνεργασία με την Boeing και καλεί μαθητές μέσης και λυκείου να προτείνουν πρωτοποριακά πειράματα DNA που αντιμετωπίζουν προκλήσεις στην εξερεύνηση του διαστήματος. Οι φιναλίστ ομάδες λαμβάνουν μηχανήματα miniPCR για τα σχολεία τους και οι νικητές βλέπουν τα πειράματά τους που πραγματοποιούνται στο Διεθνή Διαστημικό Σταθμό.

"Τα παιδιά βρίσκουν το χώρο και τη μοριακή βιολογία πολύ συναρπαστικά", λέει ο Alvarez Saavedra.

Το MiniPCR έχει κάνει οκτώ αποστολές μέχρι στιγμής. Το πρόγραμμα είναι μόνο ένα παράδειγμα της ικανότητας της ομάδας miniPCR να συνεχίζει να καινοτομεί. Η εταιρεία προσφέρει επίσης φθηνά συστήματα οπτικοποίησης του DNA και των ενζύμων. Έχει επίσης αναπτυχθεί έργα για την εκτέλεση πειραμάτων στην τάξη χρησιμοποιώντας γονιδιακή επεξεργασία και συνθετική βιολογία. Το τελευταίο έργο, που ονομάζεται Biobits, αναπτύχθηκε κωδικοποιημένα στο εργαστήριο του Jim Collins, του Termeer καθηγητή Ιατρικής Μηχανικής και Επιστήμης στο MIT.

Το Biobits δίνει στους μαθητές μια πρακτική εισαγωγή στη συνθετική βιολογία, αφήνοντάς τους να δημιουργήσουν μοριακά εργοστάσια που αναμιγνύουν πρωτεΐνες με έντονα χρώματα, λειτουργικά ένζυμα και πολλά άλλα. Η Ally Huang, φοιτήτρια στο εργαστήριο του Collins που βοήθησε στην ανάπτυξη του Biobits, εντάχθηκε στην ομάδα miniPCR για να βοηθήσει στην έναρξη των πρώτων εργαστηρίων Biobits και έχει συμβάλει στην κλιμάκωση του προγράμματος στις τάξεις σε όλη τη χώρα.

«Προσπαθούμε να πάμε εκεί που είναι η συναρπαστική επιστήμη», λέει ο Alvarez Saavedra. «Με όλα αυτά τα προγράμματα, ήταν τρελό. Το σβήνεις και αρχίζεις να ακούς ανθρώπους σε όλα αυτά τα τρελά μέρη. Στην αρχή, αυτό δεν έπρεπε καν να είναι εταιρεία. Αλλά είναι απίστευτα απλό. Υποθέτω ότι αυτή είναι η ομορφιά του ».